솔더 열 인터페이스 재료: 용도 및 한계

솔더 열 인터페이스 재료(TIM)는 유연한 폴리머 층 대신 견고한 금속 결합을 형성하여 접합부를 가로질러 열을 전달합니다. 이러한 금속 결합 덕분에 접합부가 얇고 완전히 젖어 있을 때 페이스트나 패드보다 열 저항이 낮을 수 있으며, 또한 사용이 제한적인 인터페이스에 국한되는 이유이기도 합니다. 주요 용도는 고출력 반도체 패키지의 다이 레벨에서 실리콘과 방열판 사이에 얇고 평평하며 납땜 가능한 틈이 있는 경우입니다. 하지만 인터페이스가 커지거나, 평평하지 않거나, 기계적 움직임이 많아지면 솔더 열 인터페이스 재료의 한계가 드러납니다. 단단한 금속 층은 더 큰 어셈블리에서 발생하는 움직임을 견디지 못하기 때문입니다.

이 글에서는 솔더 TIM을 다이 레벨 접합 재료로 다루고, 열 전달 경로의 더 위쪽에 사용되는 더 부드럽고 유연한 인터페이스 재료와 비교합니다. 전기적 상호 연결용 솔더 페이스트의 금속학적 특성, 리플로우 프로파일 엔지니어링 또는 패키지 내 전기 접합부는 다루지 않습니다. 이러한 주제들은 솔더라는 단어를 공유하지만 별개의 문제입니다.

솔더 열전도성 물질이란 무엇인가?

솔더 열전도성 물질(STM)은 두 접합면 사이에 용융되어 재용융되는 금속층으로, 두 표면을 하나의 저저항 열 경로로 접합합니다. 흔히 sTIM 또는 STIM으로 약칭되며, 일반적으로 주석 기반 또는 기타 저융점 솔더 합금을 사용합니다. 이 합금은 녹아서 두 표면을 적시고 냉각되어 금속간 결합을 형성합니다. 이러한 재용융 과정이 모든 폴리머 TIM과 STM을 구분하는 핵심입니다. 폴리머 TIM은 부드러운 재료를 눌러 붙이는 반면, STM은 연속적인 금속 접합부를 형성합니다.

이 소재의 표준적인 위치는 프로세서 다이와 통합 방열판(IHS) 사이입니다. 인텔은 이 층을 다이와 IHS 사이에 위치하여 접합부의 전도성을 높이는 솔더 열 인터페이스 재료로 정의합니다. 동일한 개념이 고출력 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지 및 전력 전자 다이에도 적용되는데, 이러한 경우 인터페이스는 작고 평평하며 납땜 가능한 마감 처리를 할 수 있습니다.

솔더 TIM은 연질 금속 포일, 액체 금속, 소결 은 등을 포함하는 광범위한 금속 계면 재료 범주에 속합니다. 이러한 재료들의 공통점은 금속 전도 경로를 가진다는 것입니다. 즉, 열이 충전된 폴리머가 아닌 금속을 통해 전달됩니다. 이 전도 경로는 성능의 원천인 동시에 제약의 원천이기도 하며, 이 둘 사이의 균형점이 이 글의 주요 주제입니다.

납땜용 열전도성 물질(TIM)이 더 낮은 열저항을 나타내는 이유는 무엇일까요?

솔더 열전도성 물질(TIM)이 더 낮은 열저항을 보이는 데에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 금속 자체가 충전재가 함유된 폴리머보다 열전도율이 훨씬 뛰어나고, 둘째, 리플로우 접합부는 얇은 폴리머 접합층에서 지배적인 접촉 저항을 감소시키기 때문입니다. 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation)은 자사 금속 TIM의 벌크 열전도율이 약 86 W/m·K라고 보고했습니다. 폴리머 열 그리스는 일반적으로 2~10 W/m·K 범위에 속하며, 특수 배합 제품은 10대까지 올라갑니다. TIM이 대체하는 공기의 열전도율은 약 0.026 W/m·K이므로 모든 TIM은 기존 제품보다 열전도율이 향상되었지만, 그 향상 폭이 얼마나 되는지는 여전히 의문입니다. 충전재가 함유된 폴리머는 수지에 현탁된 전도성 입자를 통해 열을 전달하며, 수지와 입자 간 접촉으로 인해 벌크 열전도율이 최대치에 도달할 수 없습니다. 리플로우된 금속층은 열전도 경로에 수지가 없으므로 연속적인 금속을 통해 열전도가 이루어집니다. 접촉 저항을 고려하기 전에도 이것이 금속 TIM과 폴리머 TIM의 차이점입니다.

두 번째 장점은 접촉면 자체입니다. 리플로우된 금속 접합부는 접합면 모두를 적시고 금속간 접촉을 형성하므로, 얇은 폴리머 접합층에서 지배적인 계면 저항이 훨씬 낮습니다. 얇고, 잘 젖고, 검증된 접합부에서는 접촉 저항이 폴리머 계면의 저항보다 낮아질 수 있습니다. 이것이 바로 엔지니어들이 가장 낮은 저항을 갖는 계면의 기준으로 솔더를 사용하는 이유입니다. 정확한 값은 합금, 접합층, 젖음성 및 테스트 조건에 따라 달라지므로, 모든 솔더 접합부에 적용되는 고정된 값이 아니라 낮은 계면 저항으로 해석됩니다.

금속 접합부는 그리스 및 일부 페이스트에 영향을 미치는 두 가지 고장 모드를 제거합니다. 펌프아웃은 열 순환 과정에서 유체 형태의 열전도성 윤활제(TIM)가 계면에서 천천히 밀려 나오는 현상이며, 베이크아웃은 휘발성 물질이 증발하여 기포가 남는 현상입니다. 두 현상 모두 재료가 유동성 또는 반유동성 상태를 유지해야 발생합니다. 고체화된 금속 접합부는 이러한 방식으로 이동하지 않으므로 그리스나 연질 페이스트처럼 계면에서 펌프아웃이나 베이크아웃이 발생하지 않습니다.

그 성능을 뒷받침하는 신뢰성 및 프로세스 비용

높은 전도성이 솔더 TIM을 기본 선택으로 만드는 것은 아닙니다. 저항을 낮추는 단단한 결합 특성이 응력을 집중시키기 때문입니다. 솔더 층은 단단하고 유연성이 낮습니다. 다이와 스프레더가 서로 다른 속도로 팽창할 때, 열팽창 계수(CTE)의 불일치로 인해 접합부에 직접적인 하중이 가해지고, 이를 흡수할 부드러운 층이 없습니다. 반복적인 열 사이클이 진행됨에 따라 이러한 응력은 TIM 층의 피로와 균열을 유발합니다. 솔더 TIM 합금은 이러한 피로를 고려하여 설계되었으며, 이것이 바로 솔더 TIM 합금의 신뢰성 한계입니다.

접합층 두께는 이러한 절충안의 중간에 위치합니다. 두꺼운 금속 접합층은 열 저항을 증가시켜 접합부가 목표로 하는 낮은 저항을 저해하므로, 접합면이 허용하는 한 최대한 얇게 유지해야 합니다. 이처럼 단단한 접합층은 또한 열팽창 계수(CTE)에 따른 변형도 감당해야 하므로, 접합층 두께는 접합부 설계에서 단순히 최소화하는 것이 아니라 균형을 맞춰야 하는 변수 중 하나입니다. 한 가지 이유로 변경한 사항은 다른 이유에 미치는 영향과 비교하여 신중하게 고려해야 합니다.

평면도가 중요한 이유는 동일합니다. 금속 접합부는 휘거나 고르지 않은 표면에 잘 밀착되지 않기 때문에, 표면 평탄도와 표면 처리가 부드러운 패드보다 훨씬 중요합니다. 부드러운 패드는 표면의 변형을 어느 정도 보정할 수 있기 때문입니다. 다이와 스프레더 접합부의 경우, 접합면이 작아서 평평하게 유지할 수 있지만, 접합면이 커질수록 평탄도를 유지하기가 어려워지고, 금속 접합부는 남은 변형에 대한 허용 오차가 줄어듭니다.

공정으로 인해 접착 가능 범위가 더욱 좁아집니다. 납땜은 접합되는 표면을 잘 적셔야 하는데, 이는 일반적으로 양쪽 면에 납땜이 가능한 금속 코팅이 되어 있어야 함을 의미합니다. 코팅이 없는 표면, 플라스틱 표면, 도색된 표면 또는 양극 산화 처리된 표면은 납땜이 되지 않습니다. 또한 접합면은 리플로우 공정을 견뎌야 하므로, 주변 부품 중 온도 변화에 취약한 부분이 있다면 조립 과정에서 이를 고려해야 합니다. 이러한 조건들이 납땜용 열전도성 물질(TIM) 사용을 피해야 할 이유가 아니라, 접합면이 TIM을 사용할 수 있는지 여부를 결정하는 요소이기 때문입니다.

인터페이스 재료를 틈새, 응력 및 표면에 맞추기

재료의 종류는 접합면을 따라야 하며, 그 반대가 되어서는 안 됩니다. 따라서 실질적인 결정은 갭 크기, 조립 응력, 표면 상태, 그리고 리플로우 공정의 가능 여부 등을 고려하여 시작됩니다. 솔더 TIM은 갭이 얇고 평평하며, 접합면이 납땜 가능하고, 조립 후 리플로우 공정을 진행할 수 있는 경우에 적합합니다. 이러한 환경에서는 다이와 스프레더 접합부와 같이 플럭스가 높은 작은 영역에서 얇고 젖음성이 우수한 금속 접합부가 제공할 수 있는 가장 낮은 계면 저항이 최우선 과제입니다. 이러한 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 금속 접합의 타당성은 급격히 떨어집니다. 이처럼 접합면에 맞는 재료를 선택하는 것이 핵심입니다. 열 인터페이스 재료 선택 일단 열 경로가 다이를 벗어나면.

모듈 및 팩 레벨에서 인터페이스는 더 크고 균일하지 않습니다. 간격은 더 크고 어셈블리 전체에 걸쳐 다양하며, 표면은 페인트, 양극 산화 처리 또는 플라스틱으로 되어 있어 납땜이 불가능합니다. 셀은 충전 및 노화 과정에서 움직이며, 어셈블리는 리플로우 공정이 아닌 분배 또는 수동 배치로 제작됩니다. 이러한 조건은 유연성이 좋은 연질 소재에 유리합니다. 열 패드 또한 조립 응력이 낮은 환경에서 불규칙한 계면에도 잘 밀착되는 소모품 형태의 젤과, 계면이 하중을 견뎌야 하는 구조용 접착제가 있습니다. 이러한 환경에서 경직된 납땜 접합부는 조립체가 수용해야 하는 움직임과 공차를 오히려 방해할 것입니다.

배터리 팩 인터페이스 스택은 다이 레벨 솔더 방식과는 다른 양상을 보입니다. 팩 규모에서 설계 문제는 다이 레벨의 전도도를 맞추는 것이 아니라, 실제 불규칙한 간격에 맞춰 셀의 움직임을 흡수하는 것입니다. 이는 유연성과 하중 지지력을 모두 갖춘 소재를 필요로 합니다. 즉, 스트레스가 적은 셀-콜드 플레이트 열 전달 경로에는 열 패드와 젤을, 접합부가 열과 하중을 모두 견뎌야 하는 부분에는 구조용 접착제를 사용합니다. Trumonytechs는 팩 레벨에서 이러한 인터페이스 소재들을 사용하며, 금속 솔더 TIM은 사용하지 않습니다. 소재 선택은 전도도 순위가 아닌 인터페이스 조건에 따라 결정됩니다.

결론

솔더 열전도성 물질(TIM)을 사용할 때 가장 효과적인 방법은 최고 전도율을 가진 옵션을 선택하기 전에 계면의 특성을 먼저 파악하는 것입니다. 솔더 TIM은 고플럭스 다이 패키지에서 얇고 평평하며 솔더링이 가능하고 리플로우 공정이 가능한 접합부에 적합합니다. 이러한 환경에서는 금속 접합과 낮은 계면 저항이 열팽창 계수(CTE) 및 공정 제약을 감수할 만한 가치가 있습니다. 하지만 모듈 및 팩 레벨에서처럼 크고 불규칙하며 기계적으로 활성적인 계면에는 적합하지 않습니다. 이러한 환경에서는 유연성, 적합성, 그리고 하중 지지 접합이 신뢰성을 좌우합니다. 먼저 접합부 간격, 조립 응력, 표면 상태, 그리고 공정을 고려해야 합니다. 이러한 조건들을 모두 고려했을 때 금속 접합부를 실제로 사용하고 견딜 수 있는지가 확인된 후에야 전도율 수치가 중요한 결정 요소가 됩니다.

자주 묻는 질문

추가 자료

• 고출력 BGA용 열 인터페이스 재료 — 고효율 BGA 인터페이스에 대한 산업 기술 기사로, 금속 및 상변화 열전도성 물질(TIM)과 그리스를 비교 평가하며, 저항이 가장 낮은 인터페이스가 중요하다는 본 기사의 주장을 뒷받침합니다.
• 열 인터페이스 재료 선택 가이드 — 전도성, 접착층, 기계적 특성 간의 상충 관계를 기준으로 TIM 등급을 비교하는 독립적인 기술 가이드로, 위의 간극 및 응력 선택 논리에 유용한 배경 지식을 제공합니다.

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